高频小信号调谐放大器课程设计.doc

摘 要 放大高频小信号（中心频率在几百KHZ到几百MHZ，频谱宽度在几KHZ到几十MHZ的范围内）的放大器，称为高频小信号放大器。这类放大器，按照所用器件可分为晶体管，场效应管和集成电路放大器；按照通过频谱的宽窄可分为窄带和宽带放大器；按照电路形式可分为单级和级联放大器；按照所用负载性质可分为谐振放大器和非谐振放大器。所谓谐振放大器，就是采用谐振回路作负载的放大器。根据谐振回路的特性，谐振放大器对于靠近谐振频率的信号，有较大的增益；对于远离谐振频率的信号，增益很小。所以，谐振放大器不仅有放大作用，而且也起着滤波或选频的作用。高频小信号调谐放大器广泛应用于通信系统和其它无线电系统中，特别是在发射机的接收端，从天线上感应的信号是非常微弱的，这就需要用放大器将其放大。本文以理论分析为依据，以实际制作为基础，运用LC电路的谐振作为选频和滤波，利用三极管的放大作用来实现小信号放大的作用。关键字：三极管；LC电路；放大器；高频小信号Abstract Zoom in high frequency small signal (center frequency in hundreds of KHZ to several hundred MHZ, spectrum width in the range of a few KHZ to dozens of MHZ) amplifier, known as the high frequency small signal amplifier. This kind of amplifier, according to the device can be divided into the transistor, field effect tube and integ- rated circuit amplifier; According to the through spectrum width can be divided into narrowband and broadband amplifier; According to the circuit form can be divided into single-stage and cascade amplifier; According to the nature of the load can be divided into resonance amplifier and the resonant amplifier. The so-called resonance amplifier, is to use as a load resonance loop of the amplifier. According to the pro- perties of the resonant circuit, the resonance amplifier for close to the resonant fre- quency of the signal, have bigger gain; To stay away from the resonance frequency of the signal, gain is small. So, resonance amplifier has amplification effect not only, and also to play the role of a filter or frequency selective. High frequency small signal tuned amplifier is widely used in communication systems and other radio systems, especially in the receiving end of a transmitter, induction from the antenna signal is very weak, this needs with the amplifier to enlarge it. In this paper, based on theo- retical analysis, based on the actual production, using the LC resonance frequency selective and filtering circuit, triode amplifying function is used to realize the role of small signal amplifier.Key words: triode; LC circuit; Amplifier; High frequency small signal目 录1 绪论11.1 高频小信号调谐放大器的由来11.2 高频小信号调谐放大器的用途及其功能12 高频小信号放大器电路设计的原理22.1 高频小信号调谐放大器的基本原理22.2 高频小信号调谐放大器主要质量指标22.2.1 增益22.2.2 通频带22.2.3 选择性22.2.4 品质因素22.2.5 噪声系数22.3 各元器件参数设计32.3.1 静态工作点的选择32.3.2 谐振回路的参数计算43 电路仿真63.1 电路仿真图63.2 电路的输入与输出比较64 调试与误差分析84.1 电路板调试84.1.1 元件的焊接84.1.2 调试所用到的元器件84.1.3 调试步骤与波形图84.2 误差分析9结束语10参考文献11附录一 电路图12附录二 PCB版图13附录三 元件清单14附录四 实物图15III1 绪论1.1 高频小信号调谐放大器的由来20世纪末，电子通讯获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。在无线通信中，发射与接收的信号应当适合于空间传输。所以，被通信设备处理和传输的信号是经过调制处理过的高频信号，这种信号具有窄带特性。而且，通过长距离的通信传输，信号受到衰减和干扰，到达接收设备的信号是非常弱的高频窄带信号，在做进一步处理之前，应当经过放大和限制干扰的处理。这就需要通过高频小信号调谐放大器来完成。1.2 高频小信号调谐放大器的用途及其功能 高频小信号放大在各个领域都有其应用，特别是在通信部分，作为调幅、调频电路的接收部分。如在话筒制作中，利用其选频与放大的作用，得到我们想要的信号。高频小信号放大器的作用是无失真的放大某一频率范围内的信号。高频小信号放大器是通信电子设备中常用的功能电路，它所放大的信号频率在数百千赫。高频小信号放大器的功能是实现对微弱的高频信号进行不失真的放大，从信号所含频谱来看，输入信号频谱与放大后输出信号的频谱是相同的。 2 高频小信号放大器电路设计的原理2.1 高频小信号调谐放大器的基本原理小信号调谐放大器的作用是有选择地对某一频率范围的高频小信号进行放大 。所谓“小信号”，通常指输入信号电压一般在微伏毫伏数量级附近，由于信号小，从而可以认为放大器工作在晶体管的线性范围内。所谓“调谐”，主要是指放大器的集电极负载为调谐回路。这种放大器对谐振频率及附近频率的信号具有较强的放大作用，而对其它远离的频率信号，放大作用很差。2.2 高频小信号调谐放大器主要质量指标2.2.1 增益增益就是放大器输出电压与输入电压之比，用来表示高频小信号调谐放大器放大微弱信号的能力 ，用Au表示。在实验中，增益越大越好。2.2.2 通频带 通频带通常规定放大器的电压增益下降到最大值的0.707倍时，所对应的频率范围即为高频放大器的通频带，用B0.7表示。2.2.3 选择性 选择性是指回路从含有各种不同频率信号总和中选出有用信号、抑制干扰信号的能力。一般用B0.1表示，其值越大，回路选择性越好。2.2.4 品质因素 品质因素描述的是选频特性的好与差，用Q表示。Q值越大，回路损耗愈小，其选频特性就愈好。2.2.5 噪声系数高频放大器由多级组成，降低噪声系数的关键在于减小前级电路的内部噪声。因此，在设计前级放大器时，要求采用低噪声器件，合理地设置工作电流等，使放大器在尽可能高的功率增益下噪声系数最小。用Nf表示,其值越接近1越说明噪声越小，电路的性能越好。根据上面各个具体环节的考虑设计出下面总体的电路：小信号谐振放大器是通信机接收端的前端电路，主要用于高频小信号或微弱信号的线性放大。其实验单元电路如图2-1所示。该电路由晶体管VT7、选频回路CP2二部分组成。它不仅对高频小信号放大，而且还有一定的选频作用。本实验中输入信号的频率fs10MHz。R67、R68和射极电阻决定晶体管的静态工作点。拨码开关S7改变回路并联电阻，即改变回路Q值，从而改变放大器的增益和通频带。拨码开关S8改变射极电阻，从而改变放大器的增益。L7,C72构成滤波电路，滤除直流源的干扰信号。J30信号输入接口，J31信号输出接口。图2-1 高频小信号放大器2.3 各元器件参数设计选择合适的静态工作点和10MHZ的中周是高频小信号谐振放大器制作中关键所在。我们采用的是CP2中周，实际上是由LC并联构成变压器，其谐振频率在一定范围内可调。当在谐振点时有，通过此公式计算可以确定LC的值。2.3.1 静态工作点的选择其直流通路如2.2所示:图2.2 直流通路 （2.1） （2.2） （2.3） 为了使三极管工资在放大区，则必须要满足。再通过公式计算，就可以确定静态工作点时，各元器件的参数。2.3.2 谐振回路的参数计算 其小信号模型如图2.3所示：图2.3 小信号模型 小信号模型也为放大器在谐振时的等效电路，晶体管的4个y参数分别如下： 输入导纳： （2.4） 输出导纳： （2.5） 正向传输导纳： （2.6） 反向传输导纳： （2.7）式中为晶体管的跨导，与发射极电流的关系为： 为发射结电导，与晶体管的电流放大系数及有关，其关系为： 为基极体电阻，一般为几十欧姆；为集电极电容，一般为几皮法； 为发射结电容，一般为几十皮法至几百皮法。 晶体管在高频情况下的分布参数除了与静态工作点的电流，电流放大系数有关外，还与工作角频率w有关。晶体管手册中给出了的分布参数一般是在测试条件一定的情况下测得的。在实验中，我们还用到了可变电容CT4，可变范围为5-20pf，其目的就是中和的反馈，从而提高调谐放大器的稳定度。3 电路仿真3.1 电路仿真图 XFG1为函数信号发生器，用以输入频率为fo=10MHz,幅度为100mV的高频小信号。XMM1为万用表，用来测量静态工作点、的电压。XSC1为双踪示波器，用来观察输入、输出的波形，通道B接输出，通道A接输入，仿真如图3-1所示：图 3-1 电路仿真图3.2 电路的输入与输出比较 设置各元件的参数以后，打开Multisim仿真开关，从示波器上两个通道观察输出波形以及与输入信号的关系。如图3-2所示，通道A为输入信号，通道B为输出信号，输入信号为10MHZ,，100mV，输出信号为10MHZ,7.6V。放大倍数： AV=7.6V/100mV=76。图3-2 信号输入与输出对照图由Multisim仿真可看出，仿真的结果增益Au的倍数大于设计指标，这是由于在仿真软件中，线路无损耗，各元器件的参数准确且无误差，由LC并联回路构成的中周基本上达到了谐振状态所致。4 调试与误差分析 4.1 电路板调试4.1.1 元件的焊接 经过仿真后，根据原理图将元件一一通过检测之后焊接在面包板上，然后真确连上导线。焊接之前一定要确定每个元件都要能正常工作，元件更不能接反，如中周的引脚，电位器三个脚中有效地两个脚都必须事先了解后才接入电路，焊接好连号导线后，还必须要用万用表确定线路是否连接好。4.1.2 调试所用到的元器件实验仪器设备：高频信号发生器1台 数字存储示波器1台 无感起子1把 数字万用表1台 12V直流稳压电源1台4.1.3 调试步骤与波形图（1）调试步骤第一步：断开短路快J27，将开关S8的2,3,4分别置于“ON”，开关S7全部置于断开状态，此时就可以测量对应的静态工作点。第二步：将频率为10MHZ、幅度为92mv的高频小信号接入到J30中，连接短路快J27。调节CT4或者中周CP2，使回路振荡。当观察到输出信号J31最大时，此时即为最佳谐振状态， （2）波形图输入波形图如4-1所示：图4-1 输出波形图 输出波形如4-2所示：图4-2 输出波形图 从波形图可以看出，输入波形的频率和幅度分别为10MHZ、92mv，输出波形的频率为9.27MHZ,幅度为1.27v，则Au=。4.2 误差分析 实验值为 f0=9.45MHzvo13 仿真值得 f0=10.2MHz vo50 设计指标f0=10MHzvo56数据分析：在误差允许范围内，中心频率的理论值与实际值一致，在放大器处于谐振状态下，电压放大倍数Avo放大倍数与理论值有一定的差距。分析设计总结导致误差的原因如下：（1）实物的实际值与理论值有一定的差距。如电阻电容的理论值与标称值存在一些差异，并且电阻电容的标称值也有一定的误差。如：通过计算R67要买62k的电阻，而买回来测只有60k多点。（2）晶体管数据为查表所得，而由于分布参数的影响，晶体管手册中给出的分布参数一般都是在测试条件一定的情况下测得的。且分布参数还与静态工作电流及电流放大系数有关。放大器的各项技术指标满足设计要求后的元器件参数值与设计计算值有一定的偏离。（3）性能指标参数的测量方法存在一定的误差。如在调谐过程中，我们通过直接观察波形的输出值的大小来确定电路是否调谐。这样调谐频率的测量值存在误差的同时，放大倍数的测量值也会产生误差。这属于系统误差，也许可以通过使用别的电路可以减小误差。 （4）理论值设定的谐振点为10MHZ，即此时的增益达到最大。但是在实物图制作中，谐振点不是10MHZ而是在其周围。所以这也是最大的因素影响电路的增益。（5）实验仪器设备的老化等也会导致电路调试过程中出现一定的误差。结束语此次课程设计从开始到结束，时间也比较紧张，设计电路简单且为通信电子线路实验指导书上的内容，在最终调试方面仍有欠缺。但是我在做课程设计的这一段时间里全身心的投入了，从电路的布局、元件的选择、电路板的制作到电路板的调试我都尽心尽力。在尽力的同时却发现了许多电路板上问题，比如对元件市场的熟悉程度，长期对网络上得来的知识的深信，却忽视了自己周围的条件环境因素，一些元件网上有的看但是在自己身边的原件市场不一定有的买或者买的是否正确，就比如我们买的10MHZ的中周就有问题，害我们在不知情的情况下，老是以为是电路图和电感的问题，到最后幸好有老师的帮助，我们才完成了板子的制作与调试。所以，以后买元器件，最好还是问问周围的人，这样少走弯路。在本次课程设计中虽然坎坷多时间短，但是我们都学到了许多在课本上难得到的东西，同时也解决了一些平时在课本上不是很了解甚至忽略了的问题。让我受益颇多，在此我由衷感谢张松华老师及其他帮我的人！虽然我们的电路增益远不及课题要求的，但我们在后续工作中一定会努力学习。参考文献1 康华光.电子技术基础模拟部分M.北京：高等教育出版社,2006 Kang hua. electronic technology foundation analog part M. Beijing: higher education press, 2006(in Chinese)2 谢自美. 电子线路设计实验测试（第三版）M.武汉： 华中科技大学出版社， 2006 Xie Zimei. Electronic circuit design, experiment, test (third edition) M. Wuhan: huazhong university of science and technology press, 2006(in Chinese)3 胡宴如. 高频电子线路M. 北京：高等教育出版社，2012 Hu Yanru. High frequency elec